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十年磨一剑!从跟跑到弯道超车——上海电气参建全球首座四代核电石岛湾高温气冷堆示范工程并网的背后

十年磨一剑!从跟跑到弯道超车——上海电气参建全球首座四代核电石岛湾高温气冷堆示范工程并网的背后
2022-02-06 18:33:50 来源:壹点网

2021年12月20日,位于山东石岛湾的国家科技重大专项——全球首座具有第四代核电技术主要特征的球床模块式高温气冷堆核电站,华能石岛湾高温气冷堆核电站示范工程成功并网发电。

与常规压水堆核电工程相比不同的是,石岛湾高温气冷堆有两座反应堆,是两台蒸汽发生器带动一台汽轮机发电。目前1号反应堆正稳步向单堆满功率推进,而2号反应堆也在开展各项试验,有望于今年年中双堆满负荷投入商业运营。消息称,石岛湾核电站满功率运行每年可发电14亿度,为200万居民提供生活用电,相对于燃煤发电,可减少超150万吨的二氧化碳和其它污染物排放。

上海电气作为重要参建单位之一,提供了核岛和常规岛多项核心设备。历经十余年攻关,自主研发制造,上海电气先后攻克了多项世界性、行业性“卡脖子”的关键技术,助力整个工程设备国产化率达到93.4%。

拥有国内最完整核电产业链

由华能集团牵头,于2012年开工建设的石岛湾高温气冷堆示范工程因具有第四代核电技术安全特征受到世界瞩目。它是我国16个国家重大科技专项之一,与北斗导航、探月工程等具有同等重要的科技意义,未来将在降低燃煤发电比例、尽早达成“双碳”目标方面作出重要贡献。

“如果说从二代核电技术到三代核电技术,我们实现了从“跟跑”到“并跑”,那么第四代核电技术则实现了弯道超车。”谈到上海电气核电产业发展之路,电站集团副总工程师、核电部副部长周一工很有发言权。他介绍说,上海电气从上个世纪70年代开始进入核电领域。现如今,已成为国内核电设备制造产业链最完备的集团,拥有全球集中度最高的核电设备制造基地,技术涵盖二代及二代加、三代AP1000、EPR、CAP1400、华龙一号及四代高温堆、快堆等核电技术。

石岛湾示范工程的建设过程是一段前人没有走过的路,尚无成熟经验可以借鉴,面临诸多挑战。在艰难地探索攻坚下,上核公司承制的高温气冷堆示范工程反应堆压力容器,高约30米,相当于10层楼高,重约650吨,相当于300辆普通轿车的重量,是世界上制造难度最大、尺寸最大、重量最重的核电站压力容器,首次实现了超大型反应堆压力容器设备的国产化制造。

一机床公司承制的高温气冷堆示范工程金属堆内构件设备,是世界上尺寸最大的薄壁型金属堆内构件。设备逐一攻克了锻件和钢板落锤试验、低合金无缝钢管制造、大型金属波纹管制造等难关,并填补了国内相关领域的空白。

第四代高温气冷堆常规岛汽轮机的设计难度远大于前几代核电机组,高温气冷堆产生的蒸汽参数不仅远高于常规压水堆核电机组,而且与常规火电汽轮机组也不尽相同。针对高温气冷堆特殊的蒸汽参数和运行方式,上汽自主设计、开发、研制了全新的汽轮机机型,在核电机组上首次应用。

上鼓研发制造的主氦风机,被誉为第四代核电高温气冷堆的“心脏”,解决了三元高效叶轮设计及制造、高温下腔体轴承冷却绝热、大口径阀门及传动机构等多个重大技术难题,建立了耐高温耐高压的闭式试验台进行试验验证,最终成功完成了主氦风机设备出厂验证试验。

项目启动至今,上海电气各参建单位齐心协力,秉持匠心精神,用过硬的技术能力和高度的责任心,打造了上海电气核电项目的新标杆。

“百分考卷99分便是不及格”

2016年初,一机床承制的金属堆内构件堆芯壳进入最终环缝焊接,由于焊接过程的道间温度均维持在250摄氏度,温度非常高,在内部焊接过程中工人师傅们不得不钻到筒体内部,没有几分钟就全身湿透,从工位上下来后车间温度仅有十几度,过大的温差使得很多焊工都感冒了。

同样是在2016年,反应堆压力容器项目在上核公司进入最终冲刺阶段。精细钳工工种算得上产品出厂前的最后一步,所有小瑕疵都在这一环节完成修复,密封面修复就是其中的重要一环。反应堆密封面在焊接中,会留下焊接疤痕。这些痕迹不仅仅是美观问题,而是牵扯到材料应力和设备寿命,最严重的后果是极小的凸点会导致密封环的损坏,带来可怕的核泄漏。

因此,这项技术要求极为苛刻——在100毫米的距离上,高度误差不能超过1丝。1丝是什么概念?通常人的一根头发有6~8丝左右。为了做好每一种角度的推磨,钳工师傅们需要在站着、蹲着、躺着、跪着等姿势之间切换,一种姿势有时要保持几个小时。夏天,浑身汗如雨下,沾满了铁屑,如针扎般刺痛无比;冬天,工作时间一长就容易抽筋,攥紧的右手打不开,左手按锉刀的食指麻木,甚至两个星期都收不回原位。

“极致,便是我对工匠精神的践行”,上核公司高级技师华建国说,他参与的核电主岛关键设备超过60套,运行在全国80%以上的核电站,手中从未出过一件次品。“核电设备要求高精度,满分100分的考试考99分便是不及格”,他一脸严谨。

高温气冷堆设备的质量检查非常严格,补焊时常发生。补焊就是焊接后通过目视尺寸检查或探伤检测发现有气孔等缺陷,必须将焊接部分“剔除”,重新焊接。而补焊部位及其周围往往会产生新的不平面,这种疤痕最难修复,需要耗费大量的时间。地地道道的精细活儿,华建国凭着一把小锉刀,反复修磨,补焊的疤痕果然达到了精度要求。在设备验收时,业主指着平滑如初的密封面问:“符合要求已经够难了,你竟然打磨到焊痕的阴影也看不见。有什么秘诀吗?”华建国笑着回答:“手工活,天下工匠的秘诀都在手上。”

坚持、专注,把每一个细节都做到极致,是上海电气核电技术人才长期摸爬滚打积累下来的宝贵经验,是一种高素质的体现。

凝聚几代核电人智慧和心血

设备制造能力突破,当然离不开技术研发的支撑。上鼓核电项目管理负责人张杰民自豪地说:“上鼓早于1992年就开始了高温气冷堆实验堆主氦风机的研发,在老一辈技术研发人员的带领下,实现了在先进核能核心装备技术上的重大突破。”汤高工,上鼓老一辈的技术研发人员,因为性格的倔强和在技术研发上的执着,被大家称呼为“汤司令”。在石岛湾项目主氦风机研制过程中,70多岁的他已身患癌症,但仍然坚守在研发工作的前线,带领青年科研工作者解决了一系列的技术难题。可以说,这个项目凝聚了上海电气几代核电人的智慧与心血。

上汽设计处贺小忠回忆起2008年项目汽轮机招标时的一件趣事。当时,经过技术分析、层层论证,上汽首次提出不配置再热器的方案。经过反复的分析计算发现,没有再热器,在系统效率上并没有较大的影响,但可大大节约投资成本。化繁为简,对于系统来说越简单安全性也越好。业主震惊于这个投标方案,认为这个方案比他们的招标书要求更优,甚至废弃了原来的招标书,按照我们的方案编写标书,重新招标。结果,毋庸置疑,上汽中标了。此外,凭借雄厚的技术实力,上汽还承担了国家重大专项《大型先进压水堆及高温气冷堆核电站》中高温汽冷堆汽轮机研发课题。通过课题研究,上汽针对全新的高温气冷堆,从多个核电汽轮机关键技术展开攻关,积累了一批科研成果和试验数据,极大地提升了上海电气核电汽轮机的研发水平。

要知道第四代核电技术是以核安全为核心,基本不用再担心和发电产生的核污染,可以说它就是以核能利用的安全为目标,以上海电气为代表的核电承建方在这方面的研究应用已走在了世界的前列。

助力“核大国”迈向“核强国”

越是“硬骨头”越要用力啃;越是老大难,越要想办法攻坚克难。一机床的涡流限速器在整个机构中,是装配难度最大的部分,每组由12块(6对)强磁永磁体组成,而该部件中其余零部件几乎都具有导磁性,超强的导磁性在装配过程中极有可能对永磁体本身或其他零部件以及人身安全造成伤害,使装配难度大大增加。装配师傅们敢于创新,针对永磁体的性能,设计研制出了多套完整实用型专用工装,有效提升装配效率和装配质量,保证了装配精度,并成功申请了多项专利。

100小时满转速满功率稳定运行是上鼓主氦风机出厂前的最后一道考验。虽然只有100小时,但整个调试过程及各转速下的性能试验还需要在高温高压下运行很长的时间,因此只要一启机就需要调试人员连轴转,24小时轮流调试。在调试过程中,一方面要维持温度,另一方面还要应对突发状况。上鼓副总经理钱敏龙回忆说:“闭式试验回路是高温气冷堆主氦风机样机试验时设计制造的,由于工程机的技术变更,试验系统只能进行局部的改造,整个试验过程中阀门传动轴的密封是难点,虽然试验中考虑了措施来增加试验密封效果,但在调试过程中,冷热态的变化,增加了试验的难控度。”他解释道,试验验证可以说是上鼓的“主战场”,经历了重重困难,上鼓承担的重任终于在2018年画上完美的句号。

机组带核冲转是并网发电前的关键节点。上汽作为上海电气在该项目中最后的“值守人”,派出了一支经验丰富的设计团队。有一次深夜12点多,在项目现场的上汽设计处栗勇被一通电话吵醒,原来是业主方对机组并网时阀门指令存在疑惑。12月的山东,天气已经非常寒冷,他还是迅速从被窝里爬起来,叫醒两个同伴,一起冒着深夜的严寒赶到项目现场。同时,他们联系了厂内的专家团队,与业主一起召开现场视频会。会议大概持续了半个小时,业主终于得到了满意的答案。

自项目汽轮机进入调式后,上汽项目团队和技术团队紧密结合,急用户之所急,始终保持着快速的响应机制。前方设计服务团队现场实地操作,后台专家团队24小时待机支援,做到了问题解决不隔天、不过夜。项目成功并网发电当日,业主特地发来感谢信,赞赏上海电气现场服务人员的敬业精神,为上海电气全程为石岛湾核电项目保驾护航点赞。

十年磨一剑。项目建设期间,上海电气演绎了一幕幕践行匠人初心,锐意进取、砥砺前行的动人画面。相信经过首堆四代核能示范项目的历练,上海电气的核电实力定能助力我国从“核大国”向“核强国”迈进。

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